第41卷第12期 2020年12月
自动化仪表
Vol .41 No . 12
Dec . 2020
PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION
摘要：相对于传统基于RS -485总线架构，以及GPRS 、WiFi 、Zigbee 等无线架构的远程抄表系统而言，低压电力线载波通信的远程抄 表系统具有成本低、大规模部署难度小、接人方便的优势，因此成为研究热点。但由于低压电力线信道具有阻抗匹配性差、信号衰减 大、噪声干扰时变性强等特点，信号在通信传输过程中容易产生较高的误码率，导致难以稳定、可靠地进行数据通信。为改善低压电 力线载波通信传输过程中存在的上述问题，使用电信息采集系统能够更稳定、可靠地工作，对低压电力线信道特性进行了详细的分 析。设计了低压电力线载波通信的用电信息采集系统架构。设计了低压电力线载波通信芯片并进行实测验证。经试验验证，该系统 能够在能够降低误码率的同时提高任务下发过程中任务处理的并发性，对于智能电网等相关研究与应用具有借鉴意义。关键词：低压电力线载波通信；远程抄表 系统；用电信息采集系统；误码率；信号传输；数据通信；任务下发；智能电网 中图分类号：TH 702
文献标志码：A
D 0I ： 10. 16086/j . cnki . issn 1000-0380. 2020030041
Design of Remote Meter Reading System Architecture
for the Carrier Communication with Low Voltage Power Line
Y A N G
Jincheng 1 ,L I U H a i y a n g ' ,S H E N Li 1 ,W A N G L u 1, Z H A N G Z h e n y u a n 2, H U A N G D a r o n g 2
A b stra c t ： Compared with the traditional remote meter reading system based on RS -485 bus architecture,or wireless architecture such as G PRS,W iFi and Zigbee,the remote meter reading system for the carrier communication with low-voltage power line has the advantages of low cost ,small-scale deployment difficulty and convenient access . Therefore,it
has become a research hotspot . However,due to the characteristics of low impedance power line channel,poor impedance m atching,large signal attenuation and strong time variability while noise interference , the signal is prone to generate a high bit error rate during communication transmission , which makes it difficult to carry out stable and reliable data communication . In order to improve the above mentioned problems in the transmission process of carrier communication with low-voltage power lin e，the use of electrical information collection system can work more stably and reliably . The channel characteristics of the low-voltage power line are analyzed in detail , the architecture design of the power consumption information collection system for the carrier communication with low - voltage power line is completed , The carrier communication chip with low-voltage power line is designed and verified by actual measurement . It is verified by experiments that the system can reduce the bit error rate and improve the concurrency of task processing in the task delivery process , which has reference significance for smart grid and other related research and applications . K ey w o rd s ： Carrier communication with low-voltage power lin e ； Remote meter reading system ； Electricity information collection system ; Bit error rate ; Signal transmission ; Data communication ; Task distribution ; Smart grid
近年来，物联网技术在电力相关领域中得到了广
便的优势，已成为当前的研究热点[4—7]。针对远程抄表
收稿日期：2020-03-19
基金项目：国家自然科学基金资助项目（61304014)、重庆市技术创新与应用发展专项重点基金资助项目（cS^2019jSCx-mbdxX0015)
作者简介：杨金成（ 1990—)，男，硕士，工程师，主要从事电能计量工作，E-mail:****************;
张振源（通信作者），男，博士，讲师，主要从事无线信号处理、无线感知、室内外高精度定位和人T .智能方向的研究，
杨金成、刘海洋、申李1，王璐\张振源2，黄大荣2
(1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐830011;
2.重庆交通大学信息科学与工程学院，重庆400074)
(1. State Grid Xinjiang Electric Power Research Institute,Urumchi 830011,China ；
2. School of Information Science and Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 40
0074,China )
0引言
泛的应用[U 3]。在电力远程抄表系统中，电力线作为通 信网络具有布置成本低、
大规模部署难度小及接人方
刘若仪第12期低压电力线栽波通信的远程抄表系统架构设计杨金成，等•87•
系统存在的相关问题，在详细分析了低压电力线信道 特性的基础上，设计了一种低压电力线载波通信的远 程抄表系统架构。首先，分析了低压电力线载波通信 的远程抄表系统存在的问题及可行性；然后，针对低压 电力线载波通信存在的可靠性低、误码率较高等问题，进行了低压电力线信道特性分析，并提出了基于过零 同步分时传输的低压电力线载波通信技术，以改善上 述问题；最后，通过芯片设计验证，完成了通信系统架 构设计。
1低压电力线载波的整体系统
低压电力线远程抄表系统如图I所示。
图1低压电力线远程抄表系统框图
Fig. 1Low-voltage power line remote meter
reading system block diagram
远程抄表系统主要由采集器、集中器和数据服务 器构成[8]。采集网络中，采集器负责对采集设备或传 感器进行采样或存储，并通过通信线路与集中器进行 通信。集中器管理所负责的采集器，对数据进行汇总 和处理，并通过通信网络将数据上传至数据中心服务 器，同时传达数据中心服务器对集中器和采集点的增 加、删除及修改等操作。
在整个远程抄表系统架构中，电力线网络作为全 球覆盖规模较大、建设较为完善的网络，具有成为独立 通信网络的独特优势。但这仅针对已经成熟的10 kV 以上电压等级的高压电力线载波技术。基于低压电力 线载波的通信网络由于电力载波信号存在脉冲干扰，传输距离越远，信号衰减越大，噪声干扰也越大，会影 响载波通信的质量[9]。另外，在集中器与采集器之间 的任务通信方式中，传统的通信方法是直接通过数据 中心服务器与电能表之间“点对点”的通信方式[m]。在通信命令下发过程中，需要很多环节的配合。由于 通信交互的实时性要求较高，且流程复杂，通信的可靠性不高，一个环节配合不好就会影响通信的成功率。因此，利用低压电力线载波作为通信网络，需要选择合 适的调制方式、合适的频率等，降低通信传输过程中所 产生的较高误码率，从而改善低压电力线载波通信质 量。下
文以低压电力线作为通信信道，展开特性分析。
2低压电力线信道特性分析
由于电力线不是专用通信信道，加上低压电网 负载复杂、负荷的时变性强，导致信道噪声较传统通 信信道而言，噪声来源更多，也更为复杂。噪声的存 在会导致信息在整个传输过程中最终表现为误码率 较高、通信质量不佳，甚至可能会产生通信失效[31。所以测量并分析电力线通信信道的噪声显 得尤为重要。
本文主要从“噪声、阻抗、衰减”114]这三个方面对 低压电力线信道进行分析。其中，低压电力线交流市 电频率为50 H z，载波通信允许频段为500 k H z以下，且10 k H z以下为电网谐波范围。因此，信道分析选择 时间长度为20 m s，衰减分析频率范围为10~500 k H z，阻抗分析和噪声分析的频率范围为80~500 kH z。下 面将对噪声、阻抗、衰减特性分别进行详细分析。
2.1噪声分析
低压电力线的T.作环境复杂，电力线的噪声可能 是雷电引起的，或者各种电器造成的。所以电力线的 噪声在信号表现形式上并不是以高斯白噪声为主，而 是表现为在极短时间周期内都可能会产生变化。
噪声测试框图如图2所示。
图2噪声测试框图
Fig.2 Noise test block diagram
电力线噪声通过耦合网络耦合至示波器。示波器 则采集噪声并以数据文件形式进行存储，在计算机上
利用相关软件进行相应的频谱分析。耦合电路的作用 一是实现强电隔离，保证测试设备的安全；二是通过耦 合网络中的滤波器对测试频段的噪声进行滤除，从而 减少干扰。添加过零触发电路的作用则是为防止交流 电压重复采集的问题，确保数据采集的精确性。
加香利用高通滤波器滤除交流市电中的高频分量，用 高速数据采集设备以采样率100 MS/s采集20 m s的噪声分析数据，并存储传至计算机。对噪声数据作离 散傅里叶变换，从而得到各频率分量的变化情况，
并使
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用三维频谱图方式展示出各频点噪声随时间变化的幅 体上看，一段时间内同一测试点各频点阻抗变化范围度特性。噪声三维频谱如图3所示。趋势比较稳定。
3U0
图3噪声三维频谱示意图
Fig. 3 3D spectrum of noise
由图3可知，虽然低压电力线噪声本身是随机时
变，但总体表现存在100 Hz/50 H z的周期性。从具体
表现形式上看，电压过零时噪声较弱，非零时刻噪声变 化更加明显，电压峰值时段噪声一般比过零时段噪声 大丨5 d B。
2.2阻抗分析
低压电力线往往存在负载。在产生负载时，所有 频率的输入阻抗都会减小。而且由于负载类型的不 同，所以实际情况比较复杂，使输人阻抗的变化不可预 测。阻抗分析原理如图4所示s
低压电力线
任意波形
发生器
(B)三维阻抗相位变化图
图5三维阻抗分析图
Fig. 5 3D impedance analysis chart
2.3衰减特性分析
由于低压电力线是非均勻不平衡的传输线，反射、驻波这些现象的存在使得信号的衰减幅度并不像其他 信道一样，只是简单地随传输距离的增加，信号衰减得 越快。因此，需要对电力线进行衰减特性分析。电力 线信号衰减特性测量框图如图6所示。
图6衰减特性测量框图
Fig. 6 Attenuation characteristic measurement block diagram
图4阻抗分析原理图
Fig. 4Schematic diagram of impedance analysis
由于阻抗变化不可预测，于是选择了任意波形发 生器产生信号，并采用高通滤波器对测试频段的噪声 进行滤除。高速数据采集设备可采集每5 k H z为间隔 的各频点20 m s低压电力线阻抗变化趋势。
以伏/安法为基础，通过计算机控制波形发生器产 生不同频率的正弦信号，并采集对应频率的信号和匕，得到80~500 k H z频段内每隔5 k H z的各频点20
m s低压电力线阻抗变化趋势。再以工频同步交流市 电电压过零时刻为基准点，得到如图5所示的三维阻
抗分析图。由图5可知，低压电力线阻抗幅度变化范
围大，最小小于10 11；阻抗具备与噪声一样的周期性，
过零时刻与非过零时刻的表现形式有较大差异；从整
图6中，模拟搭建的各种测量场景组成了电力线 网络参与测量过程的相关仪器，包括波形发生器、耦合 器、示波器和频谱分析仪。
试验前，分别测量波形发生器和频谱发分析仪通 过耦合器连接时的衰减特性。在两个耦合器上设置测 试点。分别在测试点1和测试点2采集所需的信号 V，和信号V2，从而获取低压电力线衰减变化趋势。使用公式4 = 20L〇g(» ，计算出各频率分量衰减变化情况。得到80 ~ 500 k H z频段内每隔5 k H z的各频点 20 m s低压电力线衰减变化趋势后，再以工频同步交 流市电电压过零时刻为基准点。在三维衰减图中比较 低压电力线各频点衰减随时间变化趋势。三维衰减示 意图如图7
插销螺母
所示。
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图7三维衰减示意图
Fig. 7 3D attenuation diagram
由图7可知，由于低压电力线是非均匀、不平衡的 传输线，所以存在反射、驻波等复杂现象，使得信号衰 减程度与距离并不是成简单的正比关系；同时，衰减最 大一般出现在250 k H z，同时也存在100 H z/50 H z的周期性变化。
2.4改善后的载波通信技术
通过以上对电力线信道特性的充分研究，可知交 流市电过零时刻其噪声强度低、阻抗稳定等特点，而且 低压电网噪声强度与信号传输频率普遍成反比关系：随频率的增加，电网噪声明显下降。这将显著
提高接 收信噪比。经大量试验表明，以421 k H z附近频率点 作为传输频率，对提高载波通信能力而言效果最好。
基于上述分析结果，本文提出以交流市电电压过 零时刻为时间基准进行信号同步，各相T.作以本相过 零点为基准的3.3 m S时间进行载波通信，同时选择噪 声强度低的421 k H z作为载波中心频点，以及连续相 位（frequency s h i f t keying，F S K)调制方式、直序扩频编 码技术和小波变化技术15等作为通信技术。利用 F S K调制方式，可以直接避免电网阻抗影响；结合扩频 编码，可以显著提高信号的抗干扰性；同时，使用连续 相位的信号调制方式，可有效抑制调制信号时自身信 号跳变产生的脉冲谐波干扰，最终有效适应低压电力 线信道特性复杂的特点、显著提高载波通信的成功率 和稳定性。
2.4.1 H相分时动态切换技术
过零同步分时传输载波信号原理如图8所示。
.入相钱波时隙 B相载波时隙C相载波时隙
图8过零同步分时传输载波信号原理图
Fig. 8 Schematic diagram of sero crossing synchronous time sharing transmission carrier signal
利用低电压三相电压相差120°的特性，每个半波 在10 m s时间里，终端设备与各相通信单元间以3.3 m s为间隔处于独立通信状态，实现三相并行传 输。相比原有持续发送的载波技术必须三相轮流进行 信号传输而言，该方法提高了综合码元传输速率，保障 了用电信息的采集效率。
2.4.2数字三态D类放大器技术
根据载波通信时间，在持续发送电力线通信
(power l ine communication,P L C)技术1l f^(载波彳目号连 续发送）和过零发送P L C(交流电压过零前后时间段 发送）技术的理论基础上，研究数字化解调和调制方 式，提出了一种可以显著降低带内谐波干扰且高输出 效率的数字三态D类放大器技术。
2.4.3任务通信方式
针对集中器与采集器之间的任务通信问题，以
“集中器主动”替换原有的“采集主站服务器主动”，从
而使服务器与电能表之间的交互模式由同步方式转为
异步方式。较原有的方式而言，其通信效率有所提高，
主站的占用时间也有所降低。设定任务优先级，同时
不影响数据采集，通过多轮次下发的方式，为大量的数
据通信提供了技术支持，并可以配合电费控制和电价
下发等任务，与远程抄表任务一起完成。
3系统架构设计
在分析用电信息采集系统及低压电力线信道特性
的基础上，为改善以低压电力线作为用电信息采集系
统的通信网络存在的问题，设计出一种新型的高性能、
低成本、低功耗的电力线载波通信芯片，用于完成并验
证系统架构设计。
3.1芯片设计方案
利用数字三态D类放大器、数字解调、三相分时 动态切换和低功耗控制等技术，设计低压电力线窄带 载波通信芯片。本设计采用C K802高性能低功耗32 位内核，配以丰富的片上外设模块，以及自主研发设计 的、专门应对电力线载波通信的F S K解调和三态D类 放大器调制模块等设计而成。系统以C K802作为工 作芯片。相较于其他控制器而言，该芯片具有低功耗、高性能的性能特点，可以达到低功耗控制的效果。其 在_40~+85 ^内均可以正常工作，更适用于复杂、恶 劣的工作环境。
3.2芯片结构设计
低压电力线窄带载波通信芯片专用功能模块框图
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如图9所示。其功能框图由控制模块和功能模块构 成。控制模块主要包括电源管理模块、输人/输出状态 选择模块、频率选择模块、三路切换模块。功能模块主 要包括线性放大模块、功率放大模块、滤波模块、稳频 模块、解调模块、信号强度检测模块等。
为解决上述芯片内部专用功能模块功能的问题，将这些功能分别集成到载波信号接收电路、高可靠窄带载波信号发送电路、过零测试电路、集中器载波模块 以及单、三相载波模块中。
3.2.1载波信号接收电路
载波信号接收电路是将来自电力线上的窄带载波 信号经过谐振电路（L C)滤波电路去掉低频信号，利用 隔离变压器将信号耦合至低压侧，从而实现载波信号 的接收。
载波信号调制信号实物卡
图9通信芯片内部专用功能模块功能框图
Fig. 9 Functional block diagram of the special function module inside the carrier communication chip
3.2.2高可靠窄带载波信号发送电路
载波信号接收电路是将来自载波通信芯片输出的 三态D类数字信号，经过自主研发的功率放大（power amplifier,P A)芯片及选频滤波器后，通过隔离变压器 耦合至高压侧，实现载波信号发送。
3.2.3过零测试电路
过零测试电路在工频交流电过零点处产生的下降 沿输出作为过零同步信号，保障过零同步分时传输技 术的稳定运行。
3.2.4集中器载波模块
集中器载波模块的主要功能是对低压电力线通信 网络与电力用户用电信息采集系统进行直接互联，在 实现主站载波通信功能的同时，简化系统结构、降低成 本，并提局系统稳定性。
3.2.5单、三相载波模块
该模块的功能主要是利用新型数字解调技术，实 现电力线通信网络的电子终端设备之间可靠的数据交 换，同时具备中继功能，可实现载波快速组网、主动上 报、台区区分、自动识别线路异常的功能。4通信系统架构测试
以载带路由模块、窄带单相通道板模块为测试对 象，配合相关测试工具以及测试软件鼎信载波通信测 试软件F版V201703209完成本次芯片测试。测试环 境如图10所示。
图丨0测试环境示意图
镜片镀膜Fig. 10 Test environment
分别对设计的通信系统架构进行了通信测试、抗 衰弱测试、抗白噪声测试以及数字三态D类放大器的 验证测试，测试结果如下。
4.1通信测试
全自动文具盒
路由和模块分别由12 V测试底座供电，放置于屏 蔽箱内，额外提供过零信号；路由端设置不同的载波速 率与模块端进行通信，并统计200
次的通信结果。通
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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